2022 Fiscal Year Research-status Report
Damage evaluation and lifetime prediction of CFRP composites initiated from microdefects
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21K14047
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
大島 草太 東京都立大学, システムデザイン研究科, 助教 (90885112)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 炭素繊維強化複合材料 / 微視的損傷 / その場観察 / 破壊メカニズム ３．研究課題名 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではCFRP（炭素繊維強化プラスチック）積層板に超微細な人工欠陥を導入し、CFRPの特に初期の破壊とされるトランスバースクラック（繊維と直交する方向に進展する亀裂）の発生・進展メカニズムの解明を目標としている。
2022年度までは人工欠陥を導入したCFRP積層板を作製し、静的荷重下ならびに疲労荷重下におけるその場観察試験を行った。CFRPの成形時に直径2.5～50μmのタングステンワイヤと直径20μmのPTFEファイバを1本、荷重と繊維方向が直交する層に繊維と平行に埋め込み、人工欠陥を導入したCFRP積層板を成形した。
疲労荷重下でのその場観察試験を行うために、試験機の荷重波形と同期して顕微鏡のシャッターを切る機構を開発した。開発した機構は試験機と同期して撮影が可能であるため、各サイクルにおける最大荷重時に高倍率の顕微鏡画像を取得可能な機構である。これにより、疲労荷重下の場合でも繊維と樹脂が識別可能なスケールにおいて連続的に損傷挙動が観察可能であることを確認した。
疲労荷重下では最大応力の減少に伴い亀裂進展までのサイクル数が増加すること、繊維と樹脂のはく離は低いサイクル数で発生するが、進展まではある程度のサイクル数を要することなどが明らかになった。また、欠陥を起点としたものに加えて、各層の界面から進展する亀裂も確認されたため、これらの相互作用についても検討が必要なことが示唆された。
2023年度には引き続き疲労荷重下でのトランスバースクラック発生・進展の挙動評価を行うとともに、数値解析手法の検討を行う予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2022年度の当初計画は、超微細人工欠陥を導入したCFRP積層板における欠陥周辺の損傷進展を疲労荷重下で観察することとしていた。
2022年度の研究実績では数ミクロンオーダーの微視的損傷進展を繰返し荷重下で逐次観察するための光学観測系を構築し、本研究で対象としている欠陥を起点とした微視的損傷進展観察が行えることを実証した。
その結果、繰返し荷重下における損傷メカニズム解明のために必要となる実験データの取得に成功した。これにより、当初の目標を達成できたことから、おおむね順調に進展しているものと自己評価した。
一方、疲労試験によって得られる実験データは膨大となり、疲労試験自体にも時間を要するため、効率的な試験やデータ整理方法については次年度以降も引き続き検討する必要があると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度には取得した実験データを用いて損傷進展メカニズムを数値的に解明する。これまで蓄積してきた実験データに基づいて、最適な損傷モデルの検討を行うとともに、欠陥寸法や疲労繰返し数が微視的欠陥を起点としたトランスバースクラックの進展挙動に及ぼす影響を明らかにする。また、前述の通り疲労試験は時間を要する試験であるため、十分なデータ数取得のために引き続き観察試験も並行して行うとともに、効率的なデータ整理方法についても検討を行う。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスに関連して当初の参加予定だった学会の多くが延期やハイブリッド形式になり、想定よりも旅費への支出が少なくなった。
また、試験片も複数回の試作を見込んでいたが、想定よりも少ない回数で本研究の用途に供すことのできる試験片を作製できたため、想定よりも支出が少なくなった。
2023年度には延期されたものも含めて複数の国際学会発表を行う予定であるため、渡航費用や登録料に研究費を充当する予定である。
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